差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry，DSC)是一種通過程序控溫，測量樣品與參比物之間熱流差隨溫度或時間變化的熱分析技術。其核心目標是定量分析材料在物理或化學變化過程中的熱效應，如熔融、結晶、玻璃化轉變、化學反應等。以下從基本原理、儀器結構、信號處理及典型應用四方面展開說明。
一、基本原理：能量補償與熱流差檢測
DSC的工作基于能量補償法，其核心思想是：
同步控溫：樣品與參比物(通常為惰性材料，如空坩堝或氧化鋁)置于同一程序控溫環境中(如線性升溫、降溫或恒溫)。
熱流差補償：當樣品發生吸熱或放熱反應時(如熔融吸熱、結晶放熱)，其溫度與參比物產生差異。儀器通過補償加熱器對樣品或參比物施加額外能量，使兩者溫度始終保持一致。
熱流差記錄：補償能量的大小即代表樣品與參比物之間的熱流差(dH/dt)，通過高靈敏度傳感器轉化為電信號，最終生成DSC曲線。
類比說明：
想象兩杯水(樣品與參比物)同時加熱，若樣品杯中放入冰塊(吸熱反應)，則需額外加熱樣品杯以維持兩杯水溫度相同。補償的熱量即對應DSC曲線中的吸熱峰。
二、儀器結構：關鍵組件與功能
DSC主要由以下部件構成：
加熱爐：提供程序控溫環境，溫度范圍通常為-175℃至725℃，控溫精度可達±0.01℃。
樣品池與參比池：
樣品池：放置待測樣品(通常為毫克級)。
參比池：放置惰性參比物，用于消除環境熱干擾。
傳感器：
熱電偶或熱電堆：檢測樣品與參比物之間的溫度差。
補償加熱器：根據溫度差信號，實時調整對樣品或參比物的加熱功率。
信號放大與采集系統：將微弱的熱流差信號放大并轉換為數字信號，供軟件分析。
技術參數示例：
靈敏度：可檢測0.1μW的熱流差。
分辨率：溫度分辨率0.001℃，熱流分辨率0.01μW。
三、DSC曲線解析：關鍵參數與物理意義
DSC曲線以熱流率(dH/dt，單位：mW)為縱坐標，溫度(T)或時間(t)為橫坐標。典型曲線特征如下：
基線：樣品無熱效應時的水平線，受儀器噪聲、熱容差異等因素影響。
吸熱峰：
示例：聚合物熔融、水分蒸發。
參數：峰溫(Tm)、峰面積(焓變ΔH)。
放熱峰：
示例：結晶、氧化、分解反應。
參數：峰溫(Tc)、峰面積(焓變ΔH)。
臺階變化：
示例：玻璃化轉變(Tg)，表現為基線斜率突變。
數據示例：
聚丙烯(PP)的熔融峰溫約為165℃，焓變ΔH=90 J/g。
環氧樹脂的固化放熱峰溫約為120℃，焓變ΔH=-150 J/g(負號表示放熱)。
四、技術分類：功率補償型與熱流型
根據補償方式不同，DSC分為兩類：
功率補償型DSC：
原理：直接測量補償加熱器的功率差。
優點：響應速度快，適合快速掃描(如100℃/min)。
缺點：基線易受樣品熱容影響。
熱流型DSC：
原理：通過熱阻(如康銅盤)測量樣品與參比物之間的熱流差。
優點：基線穩定性高，適合高精度測量。
缺點：響應速度較慢。
選擇建議：
功率補償型：適用于快速相變研究(如聚合物結晶動力學)。
熱流型：適用于高靈敏度需求(如藥物多晶型分析)。
五、典型應用與案例
材料科學：
聚合物：測定熔點、結晶度、玻璃化轉變溫度。
金屬：分析相變溫度、熱穩定性。
制藥行業：
藥物多晶型篩選：通過熔融焓差異區分晶型。
氧化誘導期(OIT)測試：評估藥物穩定性。
食品工業：
脂肪結晶分析：優化巧克力、人造奶油工藝。
水分含量測定：通過脫水吸熱峰定量水分。
案例：鋰電池材料熱分析
通過DSC測定正極材料(如NCM)的熱失控溫度，發現其在220℃時發生不可逆相變，為電池安全設計提供關鍵參數。
六、誤差來源與校準方法
誤差來源：
基線漂移：傳感器老化、氣路泄漏。
溫度偏差：熱電偶精度不足、加熱爐溫度梯度。
樣品因素：熱歷史、粒徑不均。
校準方法：
溫度校準：使用標準物質(如銦、錫)的熔點校準溫度傳感器。
熱焓校準：通過已知焓變的標準物質(如藍寶石)校準靈敏度。
總結
差示掃描量熱儀通過能量補償法實現樣品熱效應的定量分析，其核心優勢在于高靈敏度、寬溫域與定量能力。在材料研發、質量控制及失效分析中，DSC是揭示材料熱行為的關鍵工具。通過合理選擇儀器類型、優化實驗條件并嚴格校準，可獲得準確可靠的熱分析數據。
